L’identification d’interactions synthétiques létales (SL) apparait aujourd’hui comme une approche prometteuse, qui permet de cibler directement les cellules cancéreuses. Dans cette étude, nous avons utilisé la levure Saccharomyces cerevisiae en tant qu’organisme modèle simple pour cribler des mutations SL avec une drogue, l’AICAR (5-Amino-4-Imidazole CArboxamide Ribonucleoside). L’AICAR est une molécule connue pour inhiber spécifiquement la prolifération de multiples lignées cancéreuses. Ici, nous montrons que la perte d’ubiquitination de l’histone H2B ou de méthylation de l’histone H3K4 est SL avec l’AICAR. Nos résultats pointent sur l’AICAR causant une accumulation de cellules en G1 due à ses effets sur la localisation subcellulaire de la cycline Cln3, tandis que la perte d’ubiquitination d’H2B ou de méthylation de H3K4 affectent l’expression des deux autres cyclines deG1, CLN1 et CLN2. Ainsi, l’AICAR et la perte d’ubiquitination de l’histone H2B ou de méthylation del’histone H3K4 affectent les trois cyclines simultanément, conduisant à une condition connue pourêtre SL. De plus, cette interaction chemo-genetique s’est révélée être conservée chez les cellules humaines HCT116. En effet, le knock down de RNF40, ASH2L ou MLL2 conduit à une sensibilité àl’AICAR exacerbée. Or, on sait que MLL2 est muté dans de nombreux cancers, ce qui rend cette interaction SL très intéressante dans le cadre d’une approche thérapeutique. / Identifying synthetic lethal interactions has emerged as a promising new therapeutic approach that aims to directly target the cancer cells. Here, we used the yeast Saccharomyces cerevisiae as a simple eukaryotic model to screen for mutations resulting in a synthetic lethality with 5-Amino-4-ImidazoleCArboxamide Ribonucleoside (AICAR) treatment. Indeed, AICAR has been reported to specifically inhibit the proliferation of multiple cancer cell lines. Here, we found that loss of two several histone modifying enzymes, including Bre1 (histone H2B ubiquitination) and Set1 (histone H3 lysine 4methylation), greatly enhanced AICAR inhibitory effects on growth. Our results point to AICAR causing a significant accumulation of G1 cells due to its impact on Cln3 subcellular localization, whilebre1 or set1 deletion impacts on the two other G1 cyclins, by affecting CLN1 and CLN2 expression .As a consequence, AICAR and bre1/set1 deletions jointly affect all three G1 cyclins, leading to a condition that is known to result in synthetic lethality. Most importantly, these chemo-genetic synthetic interactions were conserved in human HCT116 cells. Knock-down of RNF40, ASH2L orKMT2D induced a highly significant increased sensitivity to AICAR. As KMT2D is mutated at high frequency in a variety of cancers, this synthetic lethal interaction has an interesting therapeutic potential.

Aujourd’hui, les traitements du cancer colorectal métastatique ont évolué grâce à la combinaison de chimiothérapies conventionnelles à base de 5-FU, oxaliplatine et/ou Irinotécan et de thérapies ciblées dirigées contre le récepteur de l’EGF ou le VEGF. Malgré un taux de survie amélioré par la combinaison de ces drogues, la résistance innée et acquise aux traitements est une cause fréquente d'échec thérapeutique.Dans le but de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques nous avons effectué plusieurs criblages phénotypiques en utilisant des modèles cellulaires de résistance acquises aux chimiothérapies (oxaliplatine et irinotécan) générés au laboratoire ainsi que la lignée HCT116 qui présente une résistance innée aux thérapies anti-EGFR (cétuximab, panitumumab, Erlotinib). Le but final de ce projet étant de révéler des gènes, dont l’inhibition permet de rétablir la sensibilité à l’un de ces traitements, affichant ainsi une interaction létale avec le médicament.Une fois les kinases potentiellement impliquées dans la résistance aux thérapies du CCR identifiées, une inhibition spécifique par shRNA et/ou un inhibiteur spécifique a été effectuée afin de confirmer les potentielles cibles thérapeutiques et/ou biomarqueurs de réponse aux traitements. La cible la plus prometteuse, identifiée comme un déterminant de la résistance à l’oxaliplatine est la protéine ATR (Ataxia-telangiectasia mutated and rad3 related). Une protéine jouant un rôle clé dans la réparation de l'ADN et qui est activée en réponse à la présence d'ADN simple brin persistant (ssDNA) ou de stress réplicatif, pouvant être généré par certaines thérapies anticancéreuses.L’inhibition ATR via son inhibiteur pharmacologique VE-822 (VX-970) combinée à l’oxaliplatine a alors été étudiée par l’utilisation de tests cytotoxiques complétés par une étude d’additivité. Ainsi, nous avons démontré que l’inhibition d’ATR combinée avec l’oxaliplatine entraine une forte synergie dans la lignée HCT116-R1 à la fois en 2D et en 3D. Cet effet est également retrouvé dans d’autres lignées clonales résistantes à l’oxaliplatine (HCT116-R2, SW48-R1) ainsi que dans les lignées cellulaires à l’origine de ces dernières (HCT116, SW48). Nous avons également montré que l'effet synergique de l’oxaliplatine et du VE-822 dans la lignée HCT116-R1 s'accompagne d'une augmentation de la présence d’ADN simple brins suivie de nombreuses cassures double brins de l’ADN, d'un arrêt de la prolifération et d'une induction de l'apoptose. L'apparition de ces dommages à l'ADN est également corrélée avec l'activation de la voie ATM, de p53 et l'inhibition de l'activité CDK2. De plus, in vitro le double traitement provoque une induction des signaux moléculaires à l’origine de la mort immunogène équivalente ou bien supérieure aux traitements par l’oxaliplatine seul. Enfin, l'association d'oxaliplatine + VE-822 est également efficace in vivo, sur des souris immunodéprimées xénogreffées avec les cellules HCT116-R1 ainsi que sur des souris immunologiquement compétentes, avec un effet synergique plus élevé indiquant que la mort immunitaire (ICD) fait partie du mécanisme de cette combinaison de médicaments. En conclusion, toutes ces données confirment l’intérêt du criblage phénotypique dans la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques en démontrant pour la première fois le rôle fonctionnel de l'ATR dans la sensibilité à l’oxaliplatine. / Today, treatments for metastatic colorectal cancer have evolved through the combination of conventional chemotherapy 5-FU, oxaliplatin and / or Irinotecan and targeted therapies directed against the EGF receptor or VEGF. Despite an improved survival rate through the combination of these drugs, innate and acquired resistance to treatment is a common cause of therapeutic failure.In order to discover new therapeutic targets we carried out several phenotypic screenings using cellular resistance models acquired to chemotherapies (oxaliplatin and irinotecan) generated in the laboratory as well as the HCT116 line which exhibits an innate resistance to anti-EGFR therapies (cetuximab , panitumumab, Erlotinib). The ultimate goal of this project is to reveal genes, whose inhibition restores sensitivity to one of these treatments, thus displaying a lethal interaction with the drug.Once the kinases potentially involved in resistance to CCR therapies identified, specific inhibition by shRNA and / or a specific inhibitor was performed to confirm the potential therapeutic targets and / or biomarkers for response to treatments. The most promising target, identified as a determinant of resistance to oxaliplatin is the ATR protein (Ataxia-telangiectasia mutated and rad3 related). A protein that plays a key role in DNA repair and is activated in response to the presence of persistent single stranded DNA (ssDNA) or replicative stress, which can be generated by certain anti-cancer therapies.The inhibition of ATR via its pharmacological inhibitor VE-822 (VX-970) combined with oxaliplatin was then studied by the use of cytotoxic tests supplemented by an additivity study. Thus, we demonstrated that the inhibition of ATR combined with oxaliplatin leads to a strong synergy in the HCT116-R1 cell line in both 2D and 3D. This effect is also found in other oxaliplatin resistant clonal lines (HCT116-R2, SW48-R) as well as in the cell lines originating from them (HCT116, SW48).We have also shown that the synergistic effect of oxaliplatin and VE-822 in the HCT116-R1 line is accompanied by an increase in the presence of single-stranded DNA followed by numerous double-stranded DNA breaks, stopping proliferation and inducing apoptosis. The occurrence of this damage to DNA is also correlated with activation of the ATM pathway, p53 and inhibition of CDK2 activity. Moreover, in vitro the double treatment causes an induction of the molecular signals triggering the immunogenic cell death equivalent or superior to the treatments by oxaliplatin alone.Finally, the combination of oxaliplatin + VE-822 is also effective in vivo in immunodeficient mice xenografted with HCT116-R1 cells as well as in immunologically competent mice with a higher synergistic effect indicating that immune death (ICD ) is part of the mechanism of this combination of drugs.In conclusion, all these data confirm the interest of phenotypic screening in the discovery of new therapeutic targets by demonstrating for the first time the functional role of ATR in sensitivity to oxaliplatin.

Les DIPG représentent les tumeurs cérébrales pédiatriques les plus sévères. Aucun progrès dans leur prise en charge n’a été accompli au cours des 50 dernières années et la radiothérapie ne demeure que transitoirement efficace. Récemment, une mutation somatique de l’histone H3 (K27M) spécifique des DIPG a été trouvée chez environ 95% des patients. Elle est aujourd’hui considérée comme l'événement oncogénique initiateur de ces tumeurs. Deux sous-groupes majeurs de patients présentant des programmes oncogéniques et une réponse à la radiothérapie distincts peuvent être définis en fonction du gène dans lequel l’altération survient, codant les variantes protéiques H3.1 ou H3.3. Nous avons réalisé deux cribles de létalité synthétique par ARN interférence ciblant le kinome humain afin d'identifier d’une part les gènes nécessaires à la survie des DIPG et d’autre part les gènes dont l’inhibition sensibilise ces tumeurs à la radiothérapie. Le double objectif de ce projet était de mieux comprendre la biologie sous-jacente à l’oncogenèse des DIPG et de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques.Nous avons mis en évidence 41 gènes requis pour la survie des DIPG sans effet délétère majeur sur des cellules contrôles normales. Parmi eux, nous avons identifié VRK3 codant une serine thréonine kinase dont les fonctions restent peu décrites à ce jour et qui n'avait jamais été associée préalablement à l'oncogenèse de DIPG. Nous avons pu confirmer par la suite que son inhibition conduit à un arrêt total de la prolifération des cellules de DIPG associé à d’importants changements morphologiques, plus particulièrement dans les tumeurs mutées pour H3.3-K27M. VRK3 constitue par conséquent une nouvelle cible thérapeutique prometteuse dans cette pathologie à l’issue fatale pour la totalité des patients.En parallèle, un crible de survie similaire a été réalisé en conjonction avec l’irradiation des cellules. Très peu d’ARN interférents ont permis de sensibiliser les cellules H3.3-K27M à la radiothérapie contrairement aux cellules H3.1-K27M. Ce travail nous a permis de mettre en évidence une différence significative de radiosensibilité des modèles vitro de DMG en fonction du sous-groupe de tumeurs considéré, H3.1- ou H3.3-K27M muté, conformément à la survie des patients observée suite à la radiothérapie. Ces résultats inédits laissent entrevoir des perspectives d’amélioration du traitement de référence des patients atteints de DIPG actuellement identique quelle que soit leur génotype. / DIPG is one of the most severe paediatric brain tumours. No progress has been made in their management over the past 50 years and radiotherapy remains only transiently effective. Recently, a specific somatic mutation in the histone H3 (K27M) has been found in approximately 95% of DIPG patients and can be considered as the oncogenic driver of these tumours. Two major subgroup of patients with distinct oncogenic program and response to radiotherapy can be defined according to the gene in which the alteration occurs, encoding the H3.1 or H3.3 protein variants. We performed two synthetic lethality screens by RNA interference targeting the human kinome in order to identify the genes responsible for DIPG cell survival, as well as those sensitizing tumour cells to radiotherapy after inhibition. The dual purpose of this project was to better understand the biology underlying oncogenesis of DIPGs and to discover new therapeutic targets.We identified 41 genes required for DIPG cell survival with no major deleterious effect on normal control cells. Among them, we identified VRK3, a serine threonine kinase never involved in DIPG oncogenesis with functions remaining poorly described to date. We have shown that its inhibition leads to a complete arrest of DIPG cell proliferation and is additionally associated with important morphological changes, more particularly in H3.3-K27M mutated tumours. VRK3 is therefore a promising new therapeutic target for all patients in this fatal pathology.In parallel, a similar survival screen was performed in conjunction to cell radiation and very few interfering RNAs enhance H3.3-K27M cell radiosensitivity, in contrast to H3.1-K27M cells. These data highlighted a significant difference in radiosensitivity of the DMG in vitro models in H3.1- versus H3.3-K27M mutated tumours, in a concordant way with patient survival following radiotherapy. These unprecedented results suggest new opportunities for improving the current treatment of DIPG patients regardless of their genotype.

Excision Repair Cross-Complementation group 1 (ERCC1) est une enzyme de réparation de l’ADN fréquemment déficiente dans le cancer bronchique non-à-petites cellules. Bien qu’une expression faible d’ERCC1 soit prédictive de réponse aux sels de platine, l’efficacité des chimiothérapies à base de platine est limitée par leur toxicité et l’apparition de résistance, justifiant la nécessité de stratégies thérapeutiques alternatives. Par ailleurs, l’absence de test compagnon diagnostic permettant d’évaluer la fonctionnalité d’ERCC1 dans la pratique clinique empêche actuellement toute thérapie personnalisée basée sur le statut ERCC1.Afin d’identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les tumeurs ERCC1-déficientes en exploitant le concept de létalité synthétique, des screens à haut-débit , utilisant des composés pharmaceutiques ou par ARN interférence, ont été réalisés dans un modèle isogénique de CBNPC déficient en ERCC1. Cette approche a permis d’identifier plusieurs inhibiteurs de poly(ADP-ribose) polymerase 1 et 2 (PARP1/2), tels l’opalarib (AZD2281), le niraparib (MK-24827) et BMN 673 comme sélectifs pour les cellules ERCC1-déficientes. Les mécanismes sous-tendant cette sensibilité sélective ont été étudiés, et les résultats suivants ont été mis en évidence : (i) les cellules ERCC1-déficientes présentent un blocage prolongé en phase G2/M après exposition à l’olaparib ; (ii) l’isoforme 202 d’ERCC1, dont le rôle a été récemment mis en évidence dans la résistance aux sels de platine, module également la sensibilité aux inhibiteurs de PARP ; (iii) la déficience en ERCC1 est épistatique avec les défauts de recombinaison homologue (RH), malgré une capacité normale des cellules ERCC1-déficientes à former des foyers RAD51 ; ceci suggère qu’ERCC1 pourrait intervenir dans la réparation d’une lésion de l’ADN induite par l’inhibiteur de PARP1/2 en amont de l’invasion du brin d’ADN lors de la RH ; (iv) l’inhibition de l’expression de PARP1 par ARN interférence permet de restaurer la résistance aux inhibiteurs de PARP1/2, dans les cellules ERCC1-déficientes uniquement. Ces résultats suggèrent que les inhibiteurs de PARP1/2 pourraient représenter une nouvelle stratégie thérapeutique chez les patients dont la tumeur est déficiente en ERCC1 et un essai clinique va être mis en place pour évaluer cette hypothèse.Afin d’explorer la présence de biomarqueurs de la fonctionnalité d’ERCC1, quatre approches ont été entreprises en parallèle dans le modèle isogénique de CBNPC déficient en ERCC1: (i) irradiation aux UV, afin d’évaluer la voie NER (Nucleotide Excision Repair); (ii) séquençage d’exome, dans le but de rechercher une signature génomique (ADN) ; (iii) analyse du transcriptome cellulaire, pour identifier des modifications d’expression d’ARN ; et (iv) SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) afin de comparer le protéome des cellules ERCC1-déficientes et ERCC1-proficientes. Ces approches ont permis d’identifier une potentielle signature génomique, ainsi que de biomarqueurs d’activité – guanine deaminase (GDA) et nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT). De plus amples validations et investigations mécanistiques de ces observations préliminaires sont actuellement requises. / Excision Repair Cross-Complementation group 1 (ERCC1) is a DNA repair enzyme that is frequently deficient in non-small cell lung cancer (NSCLC). Although low ERCC1 expression correlates with platinum sensitivity, the clinical effectiveness of platinum therapy is limited - mainly by toxicities and occurrence of resistance - highlighting the need for alternative treatment strategies. In addition, the lack of a reliable assay evaluating ERCC1 functionality in the clinical setting currently precludes personalising therapy based on ERCC1 status. To discover new synthetic lethality-based therapeutic strategies for ERCC1-defective tumours, high-throughput drug and siRNA screens in an isogenic NSCLC model of ERCC1 deficiency were performed. This approach identified multiple clinical poly(ADP-ribose) polymerase 1 and 2 (PARP1/2) inhibitors such as olaparib (AZD-2281), niraparib (MK-4827) and BMN 673 as being selective for ERCC1 deficiency. The mechanism underlying ERCC1-selective effects was dissected by studying molecular biomarkers of tumour cell response, and revealed that: (i) ERCC1-deficient cells displayed a significant delay in double-strand break repair associated with a profound and prolonged G2/M arrest following PARP1/2 inhibitor treatment; (ii) ERCC1 isoform 202, which has recently been shown to mediate platinum sensitivity, also modulated PARP1/2 sensitivity; (iii) ERCC1-deficiency was epistatic with homologous recombination deficiency, although ERCC1-deficient cells did not display a defect in RAD51 foci formation. This suggests that ERCC1 might be required to process PARP1/2 inhibitor induced DNA lesions prior to DNA strand invasion; and (iv) PARP1 silencing restored PARP1/2 inhibitor resistance in ERCC1-deficient cells but had no effect in ERCC1-proficient cells, supporting the hypothesis that PARP1 might be required for the ERCC1 selectivity of PARP1/2 inhibitors. This study indicated that PARP1/2 inhibitors as a monotherapy could represent a novel therapeutic strategy for NSCLC patients with ERCC1-deficient tumours, and a clinical protocol is being written to evaluate this hypothesis.To investigate whether a surrogate biomarker of ERCC1 functionality could be developed, four parallel approaches were undertaken in the ERCC1-isogenic NSCLC model: (i) UV irradiation, to evaluate the Nucleotide Excision Repair (NER) pathway; (ii) whole exome sequencing, to look for an ERCC1-associated genomic scar at the DNA level; (iii) transcriptomic analysis, to investigate changes at the RNA expression level; and (iv) SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) analysis, to compare proteomic profiles between ERCC1-proficient and ERCC1-deficient cells. These approaches allowed the identification of putative genomic signature and potential metabolic surrogate biomarkers - guanine deaminase (GDA) and nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT). Further validation and mechanistic investigations of these latter preliminary observations are warranted.

Les microtubules, composants clés du cytosquelette des cellules eucaryotes, sont des polymères de tubuline très dynamiques et impliqués dans une grande variété de processus cellulaires. Leur rôle essentiel dans le cycle cellulaire a fait d’eux une cible validée en thérapie anticancéreuse. Malgré l’efficacité clinique des agents ciblant les microtubules (ACM), les effets secondaires compliquent l’utilisation. Nous avons cherché à identifier des vulnérabilités génétiques qui peuvent être exploitées pour diminuer la dose requise tout en maintenant l'efficacité, et donc réduire les effets secondaires. En collaboration avec le laboratoire Tyers à l’IRIC, nous avons réalisé un criblage génétique basé sur la létalité synthétique avec des agents antiprolifératifs, dont les ACMs. Nous avons sélectionné les gènes dont l’extinction sensibilisait les cellules aux ACMs. J’ai confirmé que l’invalidation de chacun des gènes GNA13, SEPHS1, DLGAP5 et des gènes QRICH1, DLGAP5 sensibilisaient les cellules NALM6 au docétaxel et la vincristine respectivement. En revanche, aucune invalidation de ces gènes n'a augmenté la sensibilité au docétaxel dans les cellules U2OS. En plus de son effet avec le docétaxel, le gène GNA13 s’est distingué être une cible particulièrement intéressante. En effet, la perte complète de GNA13 augmente considérablement la fréquence et la gravité d’erreurs de ségrégation des chromosomes dans les cellules U2OS. Cette augmentation n’a pas été rectifiée à la suite d’un traitement avec la molécule UMK57, connue pour réduire le taux d’erreurs de ségrégation des chromosomes. De manière intéressante, la perte complète de GNA13 augmente également la fréquence des erreurs de ségrégation des chromosomes dans les cellules RPE1, cellules non-cancéreuses et stables au niveau chromosomique. Cela suggère que la perte complète de GNA13 ne nécessite pas de transformation ni d'instabilité chromosomique, comme conditions préalables pour exacerber l'instabilité chromosomique. L’ensemble de ces résultats ouvre une nouvelle voie de stratégies thérapeutiques anticancéreuses, à savoir, le traitement des cancers présentant une mutation des gènes QRICH1, DLGAP5, GNA13, et SEPHS1 avec de faibles doses d’ACMs. En particulier, GNA13 est fréquemment muté dans certains lymphomes. De plus, les résultats obtenus démontrent que la perte complète de GNA13 aggrave l’instabilité chromosomique et par conséquent, pourrait être impliquée dans la cancérogenèse. / Microtubules, key components of the eukaryotic cytoskeleton, are highly dynamic polymers of tubulin implicated in a wide variety of cellular processes. Their essential roles in the cell cycle have made them a valid target in cancer therapy. Despite the clinical efficacy of microtubule targeting agents (MTA), their use is hampered by side effects. We sought to identify genetic vulnerabilities that can be exploited to decrease the required dose while maintaining efficacy, and therefore reduce side effects. In collaboration with the Tyers laboratory at IRIC, we carried out a genetic screen based on synthetic lethality with antiproliferative agents, including MTAs. We have selected genes whose knockout sensitized cells to MTAs. I have confirmed that the knockout of GNA13, SEPHS1, DLGAP5, and QRICH1, DLGAP5, sensitize NALM6 cells to docetaxel and vincristine respectively. However, no knockout of these genes increased the sensitivity to docetaxel in U2OS cells. In addition to its effect with docetaxel, GNA13 stood out as being a particularly exciting target. GNA13 knockout increased the frequency and severity of chromosome segregation errors in U2OS cells. This increase was not corrected following treatment with UMK57, a molecule known to reduce the rate of chromosome segregation errors. Interestingly, the GNA13 knockout also increased the frequency of chromosome segregation errors in non-cancerous and chromosomally stable RPE1 cells. This suggests that GNA13 does not require transformation nor chromosomal instability as prerequisites for exacerbating chromosomal instability. Overall, these results open up a new avenue of anticancer therapeutic strategies, namely, the treatment of cancers presenting mutations in QRICH1, DLGAP5, GNA13, and SEPHS1 with lower doses of MTAs. In particular, GNA13 is frequently mutated in certain lymphomas. In addition, the results obtained demonstrate that GNA13 knockout exacerbates chromosomal instability and, therefore, could be involved in carcinogenesis.

Les leucémies aiguës myéloïdes (LAM) représentent un groupe d’hémopathies malignes agressives, de pronostic sombre en dépit des traitements intensifs actuellement proposés. Malgré une grande hétérogénéité clinique et moléculaire, les cellules de LAM sont caractérisées par l’activation de voies de signalisation essentielles à leur prolifération et leur survie, comme par exemple celle du complexe mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1). Cependant, l’utilisation clinique d’inhibiteurs tels que la rapamycine ou des inhibiteurs catalytiques s’est avérée décevante, ce qui suggère qu’il n’y a pas d’addiction oncogénique à mTORC1 dans les LAM. Au cours de ce travail, nous avons démontré que l’activation de mTORC1 est au contraire une condition nécessaire à l’induction de la mort cellulaire en réponse à l’activation d’AMPK (AMP-activated protein kinase), établissant une relation de létalité synthétique entre ces deux voies. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau composé activateur spécifique d’AMPK, le GSK621. En invalidant la sous-unité catalytique AMPKα1 par ARN interférence ou par le système CRISPR/Cas9, nous avons démontré que les effets antileucémiques de ce composé sont bien dépendants de l’activation d’AMPK. Nous avons observé que ce composé favorise l’autophagie, et que ce processus est impliqué dans la mort des cellules leucémiques puisque l’inhibition des protéines ATG5 ou ATG7 a un effet protecteur sur les cellules leucémiques. Les effets antileucémiques du composé GSK621 ont été confirmés sur des cellules primaires, ainsi que sur un panel de vingt lignées de LAM, et dans un modèle murin de xénogreffe. De façon intéressante, l’activation d’AMPK pourrait également compromettre la survie des cellules souches leucémiques, comme en atteste l’atténuation du potentiel clonogénique en méthylcellulose de cellules murines transformées par MLL-ENL ou FLT3-ITD. Nous avons observé que le composé GSK 621 n’avait pas de toxicité envers les progéniteurs hématopoïétiques normaux, ouvrant ainsi une fenêtre thérapeutique intéressante. Comme l’activation d’AMPK conduit dans de nombreux modèles cellulaires à l’inhibition de mTORC1, et comme l’activation de mTORC1 est observée dans les cellules de LAM mais pas dans les progéniteurs hématopoïétiques normaux, nous avons proposé l’hypothèse que le niveau d’activation de mTORC1 déterminait les effets de l’activateur d’AMPK. Pour cela, nous avons inhibé mTORC1 dans les cellules leucémiques d’une part, et activé mTORC1 dans les progéniteurs normaux d’autre part. De façon inattendue, mTORC1 échappe au contrôle d’AMPK dans les LAM, et nous avons observé que l’activation de mTORC1 est une condition nécessaire et suffisante pour que le composé GSK621 entraîne la mort des cellules. Le substrat moléculaire de cette létalité synthétique est le facteur de transcription proapoptotique ATF4, dont la transcription est favorisée par mTORC1, et la traduction par AMPK via la phosphorylation d’eIF2A. Ces travaux proposent donc que malgré l’absence d’addiction oncogénique, l’activation de mTORC1 dans les LAM représente une opportunité thérapeutique originale via une relation de létalité synthétique avec l’activation d’AMPK. Ils constituent un rationnel au développement clinique d’activateurs d’AMPK dans les LAM, voire dans d’autres cancers ayant une activation constitutive de mTORC1. / Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease with poor prognosis despite intensive treatments. Virtually all recurrent molecular alterations in AML functionally converge to cause signal transduction pathway dysregulation that drives cellular proliferation and survival. The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a rapamycin-sensitive signaling node defined by the interaction between mTOR and raptor. Constitutive mTORC1 activity is nearly universal in AML. However, pharmacologic inhibition with rapamycin or second-generation mTOR kinase inhibitors has shown limited anti-leukemic activity in both preclinical models as well as in clinical trials, suggesting that addiction to this oncogene is not a recurrent event in AML. Here we report that sustained mTORC1 activity is nonetheless essential for the cytotoxicity induced by pharmacologic activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) in AML. Our studies employed a novel AMPK activator called GSK621. Using CRISPR/Cas9 and shRNA-mediated silencing of the AMPKa1 catalytic subunit, we showed that AMPK activity was necessary for the anti-leukemic response induced by this agent. GSK621-induced AMPK activation precipitated autophagy, and blocking autophagy via shRNA-mediated knockdown of ATG5 or ATG7 protected AML cells from cytotoxicity resulting from treatment with GSK621, suggesting that autophagy promotes cell death in the context of active AMPK. GSK621 cytotoxicity was consistently observed across twenty different AML cell lines, primary AML patient samples and AML xenografts in vivo. GSK621-induced AMPK activation also impaired the self-renewal capacity of MLL-ENL- and FLT3-ITD-induced murine leukemias as measured by serial methylcellulose replating assays. Strikingly, GSK621 did not induce cytotoxicity in normal CD34+ hematopoietic progenitor cells. We hypothesized that the differential sensitivity to GSK621 could be due to the difference in amplitude of mTORC1 activation between AML and normal CD34+ cells. In contrast to most reported cellular models in which AMPK inhibits mTORC1, sustained mTORC1 activity was seen following GSK621-induced AMPK activation in AML. Inhibition of mTORC1 either pharmacologically (using rapamycin) or genetically (using shRNAs targeting raptor and mTOR) abrogated AMPK-induced cytotoxicity in AML cells, including primary AML patient samples. The same synthetic lethality could be recapitulated in normal CD34+ progenitors by constitutive activation of mTORC1 using a lentivirally-transduced myrAKT construct. We further observed that the level of ATF4 protein is under a transcriptionnal control by mTORC1 and a translational control by AMPK (through eIF2A), and explains the synthetic lethal relationship between AMPK and mTORC1. Taken together, these data show that the magnitude of mTORC1 activity determines the degree of cytotoxicity triggered by AMPK activation. Our results therefore support AMPK activation as a promising therapeutic strategy in AML and other mTORC1-active malignancies which warrants further investigations in clinical trials.

Les extrémités des chromosomes contiennent des répétitions de séquences d’ADN appelées télomères qui empêchent l’activation inopportune de la réponse aux dommages de l'ADN afin de préserver l'intégrité génomique. Les télomères raccourcissent à chaque cycle de réplication d’ADN et la télomérase a pour fonction de contrebalancer cette érosion en allongeant les télomères. Les cellules somatiques n’expriment pas la télomérase, donc leur durée de vie est normalement limitée par ce raccourcissement progressif des télomères qui conduit à l'activation de la voie p53 entraînant un arrêt de la croissance cellulaire. En revanche, les cellules cancéreuses acquièrent l'immortalité cellulaire principalement en réactivant la télomérase ou en utilisant des méthodes alternatives d'allongement des télomères basées sur la recombinaison d’ADN. Auparavant, dans notre laboratoire, un criblage CRISPR à l'échelle du génome a été réalisé dans la lignée cellulaire pré-B NALM-6 traitée avec la molécule BIBR1532, un inhibiteur de la télomérase. Ces résultats suggéraient que cinq sous-unités du complexe de remodelage de la chromatine INO80, lorsque supprimées indépendamment, réduisaient la prolifération des cellules ayant un raccourcissement des télomères induit par le BIBR1532. Mon objectif était d'étudier cette interaction génétique afin de comprendre les processus biologiques impliqués dans cette létalité synthétique. Après l'élimination des gènes codant à la fois pour la sous-unité enzymatique de la télomérase humaine (hTERT) ainsi que les sous-unités spécifiques du complexe INO80 humain, nous avons constaté que les cellules double-négatives avaient une capacité proliférative réduite, ce qui démontre que l’interaction génétique mesurée par criblage CRISPR est bel et bien spécifique. Étant donné le rôle du facteur de transcription p53 dans la réponse cellulaire au raccourcissement télomérique, nous avons exploré l’importance de cette voie de signalisation pour l’interaction entre le complexe INO80 humain et la télomérase. Après l’activation de p53 avec un traitement avec la molécule nutlin-3a, les niveaux d'expression de plusieurs cibles de p53 tels que MDM2 et CDKN1A ont augmenté dans les cellules ayant une délétion du gène NFRKB, codant pour une sous-unité du complexe INO80 humain. Les cellules ayant une délétion du gène UCHL5, codant pour le partenaire d’interaction de NFRKB, ont également montré une augmentation de l’expression de MDM2 lorsque traitées avec nutlin-3a. Enfin, la perte de télomérase (hTERT) modifie les niveaux d'expression des composants de la 2 voie p53 CDKN1A, BAX et MDM2. En conclusion, la suppression des gènes codant pour des sous-unités du complexe INO80 telles que NFRKB ou UCHL5 est nuisible aux cellules ayant une délétion de la télomérase. Le complexe INO80 humain peut être impliqué dans l'inhibition de la voie p53, en réponse à l'activation de p53 soit par des télomères courts ou avec un traitement avec nutlin-3a. Des recherches plus approfondies sur cette interaction génétique pourraient mener au développement de nouvelles thérapies combinatoires afin d’inhiber la croissance des cellules cancéreuses. / The ends of chromosomes contain telomeric repeats that prevent the DNA damage response from being activated in order to preserve genomic integrity. Telomerase functions to alleviate incomplete DNA replication at telomeres, and to repair those telomeres damaged by various means including oxidative damage. The lifespan of telomerase negative somatic cells is normally restricted by gradual telomere shortening which can lead to the activation of the p53 pathway resulting in cellular growth arrest. Cancer cells often elongate their telomeres in order to acquire cellular immortality predominantly by reactivating telomerase or by using recombination-based, alternative telomere lengthening methods. Previously in our lab, a genome-wide CRISPR screen was conducted in the pre-B cell line NALM-6 treated with a small molecule inhibitor of telomerase, BIBR1532. These previous results suggested that five subunits of the INO80 chromatin-remodeling complex, when independently deleted, reduced cellular proliferation in cells with BIBR1532 induced telomere shortening. My goal was to investigate this genetic interaction in order to understand the biological processes implicated in this synthetic lethal relationship. After the knockout of the genes encoding both the enzymatic subunit of human telomerase (hTERT) and specific subunits of the human INO80 complex, I found that the proliferative capacity of NALM-6 cells was reduced. This result indicates the genetic interaction identified by CRISPR screening is in fact specific. In addition, after p53 stimulation with nutlin-3a treatment, expression levels of the p53 pathway component MDM2 were altered after the knockout of the genes encoding specific subunits of the human INO80 complex, NFRKB and UCHL5, individually. CDKN1A expression was also altered after nutlin-3a treatment and NFRKB knockout. Finally, the loss of telomerase (hTERT) alters the expression levels of the p53 pathway components CDKN1A, BAX and MDM2. In conclusion, the deletion of the genes encoding specific subunits of the INO80 complex, including NFRKB and UCHL5, is harmful to cells after hTERT knockout. The human INO80 complex may be involved in inhibiting the p53 pathway, in response to p53 activation by short telomeres or nutlin-3a treatment. Further investigation into this synthetic lethal relationship may shed light on new combinatorial therapeutics in cancer.